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看不見摸不著!何方神秘力量,驅(qū)使日月星辰永不停息的“動(dòng)”?

時(shí)空通訊
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有人問:天體星辰既不噴火又不冒煙,既無轉(zhuǎn)子又無輪軸,它是依賴什么動(dòng)力在與宇宙中移動(dòng)變化的呢?這是一個(gè)普通人的好奇心,也正是驅(qū)動(dòng)人類不斷探索前行,從蒙昧走向文明的動(dòng)力。其實(shí)人們一旦上了小學(xué)和中學(xué),這種問題就應(yīng)該有所答案了。

因?yàn)楝F(xiàn)代物理學(xué)早就回答了這個(gè)問題,那就是引力,引力是驅(qū)動(dòng)整個(gè)宇宙天體不斷運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力。引力是物質(zhì)存在的基本屬性,只要有質(zhì)量,小到一?;覊m一個(gè)原子,大到一個(gè)星球一個(gè)星系、星系團(tuán),都有引力,是靠引力讓所有物質(zhì)能夠聚在一起。

牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力,是人類對引力認(rèn)識(shí)的第一次飛躍。牛頓萬有引力表達(dá)式為:引力F=GMm/r^2,就是說引力大小等于引力常數(shù)G,與引力發(fā)生相互作用的大小兩個(gè)物體M和m的乘積,除以它們之間距離的平方。引力常數(shù)G是由卡文迪許在1789年通過自己發(fā)明的扭秤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出,精確值≈6.67*10^-11(N·m^2/kg^2)。

這是兩個(gè)1公斤質(zhì)量物體質(zhì)心距離1米的引力,有了這個(gè)引力常數(shù),卡文迪許精確的計(jì)算出了地球的質(zhì)量約等于6*10^24kg,由此被世人認(rèn)為是第一位稱出了地球質(zhì)量的人。

由于萬有引力的存在,所有物質(zhì)就有了相互吸引并靠攏的趨勢,這樣整個(gè)宇宙就“動(dòng)”了起來。在物質(zhì)相互吸引靠攏的過程中,由于引力大小是與距離平方成反比的,這樣物質(zhì)距離遠(yuǎn)近受到的引力就是不均衡的,就會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)相互吸引的過程不平衡,發(fā)生各種位移和旋轉(zhuǎn),最終形成相互圍繞著旋轉(zhuǎn)的趨勢。

一顆恒星的形成就是這樣的,星云塵埃在相互吸引的過程中逐步聚攏,收縮的不均衡導(dǎo)致整個(gè)塵埃物質(zhì)發(fā)生旋轉(zhuǎn),收縮得越緊密旋轉(zhuǎn)越快,角動(dòng)量驅(qū)動(dòng)形成了軸心,離心力導(dǎo)致收縮的星云形成盤狀,就形成了原行星盤;最終核心部分凝聚成了恒星,行星盤的星子凝聚成了行星,其余的渣滓形成了小行星、彗星、塵埃。

一個(gè)星系也是這樣漸漸形成扁平盤狀的,而星系的不斷合并,最終會(huì)成為巨大的橢圓星系。

愛因斯坦的廣義相對論對引力的本質(zhì)進(jìn)行了進(jìn)一步剖析,發(fā)現(xiàn)引力本質(zhì)是由于質(zhì)量對時(shí)空擾動(dòng)導(dǎo)致。任何有質(zhì)量的物體都會(huì)對周圍的時(shí)空造成擾動(dòng),就像在水中丟入一顆石子,或在一床繃緊的床單上放入幾顆鐵球,丟入的石子或鐵球會(huì)對水或床單形成壓迫,導(dǎo)致漣漪和凹陷,這就是時(shí)空旋渦或陷阱,當(dāng)兩個(gè)有質(zhì)量的物體靠近時(shí),就會(huì)有相互掉進(jìn)對方旋渦或陷阱的趨勢,表現(xiàn)出相互吸引的引力現(xiàn)象。

而越大質(zhì)量的物體所形成的旋渦或陷阱就越大越深,相對小物體就似乎是被大物體吸引而落到其旋渦或陷阱中。

愛因斯坦的場論及其公式,并沒有否定牛頓的萬有引力理論,只是通過修正更精確,從而解決了天體觀測中一些無法解釋的現(xiàn)象,如水星進(jìn)動(dòng)等問題,撥開了籠罩在物理學(xué)上空的一塊大烏云,成為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

隨著天體物理學(xué)的不斷深入發(fā)現(xiàn)和研究,人們又發(fā)現(xiàn)了新的問題。根據(jù)宇宙膨脹理論,觀測到的宇宙現(xiàn)象與引力理論有差異,如果根據(jù)萬有引力計(jì)算,星系團(tuán)中的可見物質(zhì)引力完全不具備將星系收攏的能力,根據(jù)星系運(yùn)動(dòng)的彌散度早就應(yīng)該分崩離析,但它們依然聚攏在一起,是什么原因呢?

觀測計(jì)算發(fā)現(xiàn),形成星系團(tuán)引力的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見物質(zhì)加起來的總質(zhì)量,因此在星系里面一定有什么人類看不到的物質(zhì)存在,且這種物質(zhì)占據(jù)著星系和星系團(tuán)的主要質(zhì)量。由此,科學(xué)家們提出了暗物質(zhì)暗能量假設(shè)。

經(jīng)過近百年的觀測和研究,現(xiàn)在的主流理論認(rèn)為,在我們宇宙總質(zhì)能中,可觀測物質(zhì)只占全宇宙總質(zhì)能約5%,不可觀測質(zhì)能總量占整個(gè)宇宙的95%。細(xì)分為恒星、星系、星云塵埃等可見物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量的4.9%,暗物質(zhì)占26.8%,暗能量占68.3%。

這就是說,除去暗能量,宇宙中總物質(zhì)的比重為:會(huì)發(fā)光的可見部分只占約15%,不發(fā)光的不可見部分占85%。這些不可見部分由于幾乎不帶電,不參與電磁相互作用,也就是不與光子發(fā)生作用,因此根本無法被觀測,但它們又有具有質(zhì)量,在天體和星系的形成維系中起著主要的引力作用。

科學(xué)家們一直想弄清楚這些暗物質(zhì)是什么東西,當(dāng)發(fā)現(xiàn)中微子存在時(shí),曾經(jīng)認(rèn)為這或許就是暗物質(zhì)。因?yàn)橹形⒆右矌缀醪慌c光子發(fā)生作用,每時(shí)每刻都有無數(shù)中微子穿越一切物質(zhì),包括地球,每秒鐘甚至有萬億個(gè)中微子穿越我們?nèi)梭w,人們卻絲毫也沒有感覺。

但盡管中微子有如此之多,在宇宙中也只占總質(zhì)能的0.001%,即便它真屬于暗物質(zhì)的一種,也根本無法托起決定宇宙生死存亡的引力之重??茖W(xué)家們又絞盡腦汁地弄出了一堆候選粒子,如軸子、WIMP等,并由此對基本粒子模型產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。但暗物質(zhì)到底是什么,迄今依然沒有答案。

探索在繼續(xù),現(xiàn)在的主流理論認(rèn)為,我們宇宙的過去、現(xiàn)在和未來都是取決于暗物質(zhì)和暗能量的較量,暗物質(zhì)的力量是通過引力維系現(xiàn)有宇宙,暗能量則通過推力讓宇宙不斷膨脹,宇宙最終歸宿是大撕裂還是大坍縮,就看鹿死誰手了。

這就是我們宇宙各種天體物質(zhì)不斷運(yùn)動(dòng),風(fēng)起云涌變幻多姿的主要?jiǎng)右颉5珡母旧险f,還有一種更原始的推動(dòng)力,這就是真空零點(diǎn)能,即便在宇宙沒有誕生之前的絕對真空中,也充滿了巨大的能量,這些能量以量子真空的方式隨機(jī)擾動(dòng),以虛粒子對的方式不斷地出現(xiàn)又相互湮滅。

但這種量子隨機(jī)擾動(dòng)并不完美對稱,當(dāng)某個(gè)虛粒子對出現(xiàn)偏差而沒有湮滅時(shí),平衡就被打破了,奇點(diǎn)就出現(xiàn)了,從此誕生了宇宙,成為了時(shí)空的起點(diǎn)。這就是量子力學(xué)對宇宙起源的一種說法。

從量子力學(xué)角度來說,微觀物質(zhì)從來沒有靜止一說,基本粒子,包括原子、電子、質(zhì)子、中子、夸克都是不斷運(yùn)動(dòng)的,且速度極快,如銫原子的共振頻率約為92億赫茲,也就是每秒振動(dòng)92億次。量子運(yùn)動(dòng)具有測不準(zhǔn)、波粒二象性、量子糾纏、態(tài)疊加等奇異現(xiàn)象。

這是一個(gè)非常復(fù)雜的話題,在此就不展開說了。這里點(diǎn)一下,是為了說明不但宏觀的天體星辰在不斷地運(yùn)動(dòng),在微觀世界的每個(gè)原子和基本粒子同樣在不斷的運(yùn)動(dòng),因此,運(yùn)動(dòng)是我們這個(gè)宇宙萬事萬物的基本屬性。

在這里需要特別說明一下的是,我們在地面肉眼看到的天體星辰平靜而祥和,似乎是又不噴火又不冒煙,這是由于距離太遠(yuǎn)的緣故,實(shí)際上我們看到的星辰絕大多數(shù)都是恒星,這些恒星核心溫度達(dá)到千萬甚至上億度,都是一個(gè)個(gè)既噴火又冒煙的太陽,即便是行星,像我們地球,也是常常山呼海嘯地震火山爆發(fā),并非那么平靜。

這樣說,不知道把這個(gè)問題說清楚了沒有,歡迎討論。

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評論
蒲懷云
少傅級
萬有引力是看不見、摸不著卻又實(shí)實(shí)在在推動(dòng)日月星辰永不停息的強(qiáng)大力量,科學(xué)探索讓這種神秘力量變得可認(rèn)知??????
2024-01-09
天津—陳杰
學(xué)士級
我們平常看到的星辰,絕大多數(shù)都是恒星,這些恒星核心溫度達(dá)到千萬甚至上億度,都是一個(gè)個(gè)既噴火又冒煙的“太陽”。
2024-01-09
坦 蕩 蕩
少師級
其實(shí)現(xiàn)代物理學(xué)早就回答了這個(gè)問題,那就是引力,引力是驅(qū)動(dòng)整個(gè)宇宙天體不斷運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力。
2024-01-09